基于SLS覆膜鋯砂砂型的鈦合金快速鑄造工藝研究.pdf

1、采用激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering,SLS）技術(shù)直接成形砂型砂芯，具有響應(yīng)速度快、制造周期短、靈活性高、穩(wěn)定性好、砂型與砂芯一體化制造及可制造出任意復(fù)雜形狀等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提升大型復(fù)雜鑄件的快速試制和制造水平有明顯的促進(jìn)作用，在航空航天及汽車等領(lǐng)域解決一些關(guān)鍵鑄件的生產(chǎn)展現(xiàn)出巨大潛力。目前，國(guó)內(nèi)外SLS成形砂型（芯）已實(shí)際應(yīng)用于鑄鋁、鑄鋼及鑄鐵等材質(zhì)的零件生產(chǎn)，而熔融鈦因具有很高的化學(xué)活性，鑄造成形時(shí)極易與常

2、規(guī)鑄型材料發(fā)生界面反應(yīng)，導(dǎo)致鈦鑄件表面產(chǎn)生較厚的氧化層、黏砂、表面夾雜及氣孔等一系列的鑄造缺陷，限制了SLS覆膜砂型（芯）在鈦合金鑄造中的應(yīng)用。因此，研究適合于鈦合金鑄造的SLS用的砂型材料和制備工藝，對(duì)于推廣SLS快速成形技術(shù)在鈦合金鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要作用。
　　本文結(jié)合SLS成形和鈦合金鑄造的特點(diǎn)，選用高溫穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性好的鋯砂為原砂材料，氧化釔（Y2O3）、酚醛樹脂及釔溶膠分別為填充材料和粘結(jié)劑；在鋯砂熱、冷覆膜試驗(yàn)的基

3、礎(chǔ)上，著重進(jìn)行了覆膜鋯砂的激光燒結(jié)成形、后固化及釔溶膠浸滲、Y2O3噴涂及焙燒處理研究。其中，重點(diǎn)研究了激光功率、單層掃描面積和Y2O3添加量等對(duì)覆膜鋯砂激光燒結(jié)件初強(qiáng)度的影響規(guī)律及其作用機(jī)制，并進(jìn)一步探討了焙燒溫度對(duì)SLS鋯砂砂型的拉伸強(qiáng)度、發(fā)氣量的影響；另外，還進(jìn)行了純鈦的SLS鋯砂砂型澆鑄實(shí)驗(yàn)，初步探討了SLS鋯砂砂型表面與鈦鑄件的界面反應(yīng)機(jī)理。其主要研究結(jié)果如下：
　　在相同酚醛樹脂含量的條件下，鋯砂的熱法覆膜強(qiáng)度明顯高于

4、冷法，而且熱法覆膜的覆膜鋯砂中添加的Y2O3粉末分散更趨均勻；而覆膜鋯砂的激光燒結(jié)成形發(fā)現(xiàn)，單層掃描面積對(duì)鋯砂燒結(jié)件的力學(xué)性能有顯著影響，隨單層掃描面積的增加，鋯砂激光燒結(jié)件的初強(qiáng)度大幅降低，嚴(yán)重影響了鋯砂砂型的激光燒結(jié)成形。
　　2wt％樹脂含量的覆膜鋯砂的合理激光燒結(jié)成形工藝參數(shù)為：掃描間距0.15mm，預(yù)熱溫度55℃，鋪粉層厚0.2mm，激光功率35W，掃描速度2000mm/s；在單層掃描面積57cm2，其鋯砂激光燒結(jié)件初強(qiáng)

5、度為0.27MPa，170℃固化處理的拉伸強(qiáng)度達(dá)到2.14MPa，且鋯砂砂型輪廓清晰，表面光滑平整。
　　覆膜鋯砂中Y2O3添加量≤0.5wt%，對(duì)鋯砂的SLS成形影響小；但隨著Y2O3粉添加量的持續(xù)遞增， SLS覆膜鋯砂的初強(qiáng)度迅速下降；其中， Y2O3添加量1.5wt%時(shí)，SLS覆膜鋯砂的初強(qiáng)度為0.15MPa，經(jīng)170℃固化后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1.67MPa，分別為未添加Y2O3覆膜鋯砂的55.5%、78.2%。
　　S

6、LS鋯砂砂型的釔溶膠浸滲實(shí)驗(yàn)表明，釔溶膠已浸入SLS鋯砂砂型內(nèi)部約2-3mm，并在鋯砂砂型表面形成了光滑膠凝薄膜，強(qiáng)化了鋯砂砂型表面強(qiáng)度；在Y2O3涂料粉液比為0.667時(shí)，SLS鋯砂砂型砂芯表面的Y2O3涂層失水膠凝后，涂層表面光滑、無開裂等現(xiàn)象，層厚均勻，且Y2O3涂層與鋯砂砂型結(jié)合良好。
　　焙燒溫度對(duì)SLS鋯砂砂型的強(qiáng)度影響較小，隨著焙燒溫度的升高，SLS鋯砂砂型的抗拉強(qiáng)度緩慢下降；而對(duì)浸滲有釔溶膠的SLS鋯砂砂型的發(fā)氣量

7、有明顯的影響，隨焙燒溫度的提高，其發(fā)氣量迅速減小；在焙燒溫度250℃時(shí)，浸滲有釔溶膠的SLS鋯砂砂型抗拉強(qiáng)度為2.01MPa，發(fā)氣量5.21ml/g，SLS鋯砂砂型的綜合性能表現(xiàn)最好。
　　采用SLS鋯砂砂型（芯）澆鑄的純鈦鑄件輪廓清晰、表面光亮，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的鑄造缺陷，砂型中的Y2O3有效阻隔了熔融Ti與鋯砂顆粒的接觸，避免了鋯砂中Si、Zr和O元素的擴(kuò)散遷移，減小了界面反應(yīng)程度；同時(shí)，SEM+EDS分析也表明，SLS鋯砂砂型與